DE102008032876A1

DE102008032876A1 - Verfahren, Schaltungsanordnung und Brückenschaltung

Info

Publication number: DE102008032876A1
Application number: DE102008032876A
Authority: DE
Inventors: Harald Wolf
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: WO2010006695A1; EP2297842A1; CN102099995A; DE102008032876B4; AU2009101342A4; US10164550B2; AU2009101342A8; CN102099995B; EP2297842B1; US20110116294A1

Abstract

Verfahren, Schaltungsanordnung und Brückenschaltung zum Aufladen einer an den Hauptstromanschlüssen eines Halbleiterschalters wirksamen Kapazität, insbesondere einer intrinsischen Kapazität, insbesondere der Drain-Source-Kapazität eines MOSFET-Halbleiterschalters oder der Kollektor-Emitter-Kapazität eines IGBT-Halbleiterschalters, wobei die Vorladung, insbesondere die zumindest teilweise Aufladung, der wirksamen Kapazität zwangsweise über einen Ladestrompfad gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Schaltungsanordnung und eine Brückenschaltung.
Bekannt sind Schaltungsanordnungen in Halbbrückenschaltung und Vollbrückenschaltung, um aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung zu erzeugen, die beispielsweise in Schaltnetzteilen in Verbindung mit einem nachgeschalteten Transformator mit Gleichrichter eine potentialfreie Gleichspannung bereitstellen.
Bekannt sind auch drei- oder mehrphasige Brückenschaltungen zur Erzeugung einer mehrphasigen Wechselspannung, wie sie beispielsweise in Frequenzumrichtern zur variablen Drehzahlverstellung von Drehstrommotoren vorgesehen werden. Bei solchen Umrichtern zur Speisung von Elektromotoren ist bekannt, jede Motorzuleitung mittels einer Halbbrücke von Halbleiterschaltern zu versorgen, wobei die Halbbrücken aus einer unipolaren Spannung, der sogenannten Zwischenkreisspannung, versorgt werden. Die Zwischenkreisspannung wird von einem netzgespeisten Gleichrichter oder im generatorischen Betrieb des Elektromotors von diesem selbst erzeugt und erreicht Werte von 500 Volt und mehr.
Dabei werden die Halbleiterschalter in solchen Anordnungen pulsweitenmoduliert betrieben. Im einfachsten Fall werden die Halbleiterschalter „hart” geschaltet. Beim Schaltvorgang fließt dann gleichzeitig Strom durch das Halbleiterschalter während ebenfalls eine Spannung an diesem abfällt. Das Halbleiterschalter wird sozusagen für die Dauer des Schaltvorgangs in seinem aktiven Bereich betrieben, was zu erheblichen Schaltverlusten führen kann.
Die Höhe der Schaltverluste wird auch durch das Verhalten von in den Halbbrücken parallel zu den Halbleiterschaltern vorgesehenen Freilaufdioden beeinflusst. Diese Dioden sind bei MOSFET-Halbleiterschaltern intrinsisch vorhanden und weisen große Rückwärtsströme und einen entsprechend hohen Rückstromabriss auf, so dass in Anordnungen, welche diese Intrinsic-Dioden als Freilaufdioden nutzen, hohe Schaltverluste und transiente Überspannungen an den Halbleiterschaltern auftreten.
In sogenannten DC-DC-Wandlern, wie beispielhaft aus der US 6 356 462 bekannt, kommen resonante Techniken zum Einsatz, die ein Schalten bei Spannung Null, das als ZERO VOLTAGE SWITCHING bezeichnet werden, oder bei Strom Null, das als ZERO CURRENT SWITCHING bezeichnet werden kann, ermöglichen. Die Vielzahl der Ausführungsformen kann in Resonanz-Wandler und Quasi-Resonanzwandler gruppiert werden, wobei bei dem Quasi-Resonanzwandler, mit dem ein weiches Schalten, also ein Soft-Switching, ausführbar ist, die Resonanz im Wesentlichen nur für den Zeitraum des Schaltvorgangs manifestiert wird. Im Vergleich zu den hart-schaltenden Wandlern ist bei den Resonanzwandlern ein erhöhter Schaltungsaufwand notwendig. Außerdem muss bei der Auslegung die jeweilige Schaltungstopologie insbesondere auch die der angeschlossenen Last berücksichtigt werden. Oft gelten Restriktionen bezüglicher der Ansteuerverfahren.
In der Druckschrift WO 00/16407 ist ein spezieller Halbleiterschalter beschrieben, dessen Drain-Source-Kapazität extrem spannungsabhängig ist. Bei Spannungen, die kleiner als etwa 10% der betriebsmäßigen Schaltspannung sind, weist die Drain-Source-Kapazität einen sehr hohen Wert auf, der aber mit steigender Spannung rasch auf einen sehr kleinen Wert abnimmt. Mit dieser Eigenschaft ist ein verlustarmes Abschalten erreichbar, da der Strom sehr rasch vom Kanalstrom zum Ladestrom der Drain-Source-Kapazität wird.
Die Druckschrift US 4 841 166 beschreibt eine Gateansteuerschaltung zur Reduzierung von Überspannungen bei Verwendung von MOSFET-Halbleiterschaltern und deren Intrinsic-Dioden als Freilaufdioden. Dabei wird beim Einschalten eines Transistors der Strom durch den Source-Anschluss detektiert und gegebenenfalls durch Reduzierung der Gatespannung der Schaltvorgang verlangsamt, so dass der Rückstrom durch die Freilaufdiode und die resultierende Überspannung begrenzt wird. Allerdings sind die Einschaltverluste vergrößert im Vergleich zu einer Schaltungsausführung mit einer Fast-Recovery-Diode anstelle der Intrinsic-Dioden der MOSFETS-Halbleiterschaltern. Als Stand der Technik wird in dieser Schrift eine Schaltungsanordnung angeführt, bei der eine erste, für Schaltanwendungen optimierte Diode als Freilaufdiode antiparallel zur Serienschaltung eines MOSFET-Halbleiterschaltern mit einer zweiten Diode geschaltet ist. Die zweite Diode bewirkt, dass der Freilaufstrom zwingend über die optimierte Freilaufdiode und nicht über die Intrinsic-Diode fließt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausnutzung von Halbleiterschalter zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1, bei der Schaltungsanordnung nach den in Anspruch 11 und bei der Brückenschaltung nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass es zum Aufladen einer an den Hauptstromanschlüssen eines Halbleiterschalters wirksamen Kapazität, insbesondere einer intrinsischen Kapazität vorgesehen ist,
wobei die elektrische Vorladung, insbesondere die zumindest teilweise Aufladung, der wirksamen Kapazität zwangsweise über einen Ladestrompfad gesteuert wird.
Zwangsweise bedeutet hierbei, dass unabhängig von den Betriebsbedingungen des Halbleiterschalters, insbesondere also unabhängig vom Laststrom, die Aufladung erzwungen wird.
Der Halbleiterschalter weist erfindungsgemäß einen Steueranschluss und zwei Hauptstromanschlüsse auf, zwischen denen eine wirksame Kapazität angeordnet ist. Somit ist als Halbleiterschalter ein MOSFET-Halbleiterschalter oder ein IGBT-Halbleiterschalter verwendbar. Die erfindungsgemäß wirksame Kapazität ist daher entsprechend als Drain-Source-Kapazität oder als Kollektor-Emitter-Kapazität vorsehbar oder als hierzu parallel angeordneter Kondensator.
Von Vorteil ist dabei, dass die Sperrspannungsbeanspruchung des Halbleiterschalters reduziert wird, ohne dass die Schaltverluste zunehmen. Es muss keine Rücksicht auf die Leistungshalbleitertopologie und das Pulsverfahren zur Ansteuerung des Halbleiterschalters genommen werden, insbesondere in Schaltungen mit oberen und unteren Schaltern, wie beispielsweise Brückenschaltungen mit pulsweitenmodulierter Ansteuerung. Die Erfindung ist direkt bei Schaltern einer hart-schaltenden Leistungshalbleiteranordnung einsetzbar und erfordert keine nennenswerten Induktivitäten oder Kapazitäten im Laststromkreis.
Vorteilig ist bei der Erfindung also, dass Überspannungen an schnell schaltenden Halbleiterschaltern, wie MOSFET-Halbleiterschalter und IGBT-Halbleiterschalter, reduziert werden, ohne die Schaltverluste zu vergrößern.
Bei der Erfindung wird durch einen zusätzlichen Schaltkreis nach dem Ausschalten eines Halbleiterschalters eine zwangsweise Aufladung seiner Drain-Source-Kapazität beziehungsweise Kollektor-Emitter-Kapazität bewerkstelligt, bevor nach einer ohnehin vorhandenen Totzeit ein eventuell vorhandener gegenüberliegender Halbleiterschalter einschaltet. Dazu ist eine Diode in Serie zum Halbleiterschalter anordenbar, deren Sperrspannung entsprechend der Höhe der vorgesehenen Aufladung bemessen ist. Freilaufdioden in Brückenschaltungen sind dann antiparallel zu dieser Serienschaltung aus Halbleiterschalter und Diode angeordnet. Durch diese Anordnung ist die Drain-Source-Kapazität aufladbar, insbesondere auch dann, wenn der Strom von der parallel liegenden Freilaufdiode geführt wird.
Vorteilig ist bei der Erfindung weiter, dass bei einem spannungsabhängiger Drain-Source-Kapazität sehr hohe Überspannungen verhindert werden, da die Kapazität vorladbar ist, bevor der Laststrom in der Halbbrückenanordnung beim Einschalten des gegenüberliegenden Halbleiterschalters kommutiert. Die unvermeidbare Streuinduktivität der elektrischen Verbindungsleitungen innerhalb eines Brückenzweiges bildet zusammen mit der Drain-Source-Kapazität einen Reihenschwingkreis. Dieser an eine Gleichspannung, nämlich die Zwischenkreisspannung, gelegt wird. Ohne die erfindungsgemäße Vorladung würde die Spannung dann also an der Kapazität auf den doppelten Wert der Zwischenkreisspannung aufschwingen, sofern die Kapazität als konstant angenommen werden kann und keine Bedämpfung berücksichtigt wird. Nimmt die Drain-Source-Kapazität aber mit steigender Spannung sogar stark ab, so kann die Spannung sogar auf das Mehrfache der angelegten Gleichspannung überschwingen. Aufgrund der großen Kapazität bei niedriger Spannung und ohne die erfindungsgemäße Vorladung würde die Spannung zunächst sehr langsam ansteigen und sich somit ein hoher Strom in der Streuinduktivität aufbauen. Die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie müsste in der Folge dann in eine abnehmende Kapazität umgespeichert werden, was eine entsprechend vergrößerte Überspannung an der Drain-Source-Kapazität bedingen würde. Mit der erfindungsgemäßen Vorladung der wirksamen Kapazität ist das beschriebene Aufschwingen der Spannung und somit eine entsprechende Überspannung vermeidbar.
Die erfindungsgemäß wirksame Kapazität ist entweder als intrinsische Kapazität des Halbleiterschalters oder als Parallelschaltung der intrinsischen Kapazität des Halbleiterschalters und einem Kondensator realisierbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Vorladung, insbesondere die zumindest teilweise Aufladung der wirksamen Kapazität, vom Ansteuersignal des Halbleiterschalters zwangsweise über den Ladestrompfad gesteuert. Das Ansteuersignal für die zusätzliche Ladeschaltung wird also aus den Ansteuersignalen der Halbleiterschalter gewonnen. Die Ladeschaltung bedarf somit keiner zusätzlichen galvanischen Trennung zur Signalführung. Es sind nur wenige Bauelemente, insbesondere kleiner Leistung, notwendig und somit ist die Erfindung einfach und kostengünstig ausführbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Halbleiterschalter eine Steuerelektrode, also einen Steueranschluss, und zwei weitere Elektroden, also die Hauptstromanschlüsse, wobei die wirksame Kapazität zwischen den weiteren Elektroden angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die intrinsische, bei Schaltern oft störende Kapazität mittels der Vorladung nicht mehr störend wirksam ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ladestrompfad vom Hauptstrompfad, insbesondere der den zu schaltenden Leistungsstrom führt, verschieden. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei verschwindendem Strom im Hauptstrompfad der Ladestrompfad unabhängig betreibbar ist, insbesondere mit dem Ansteuerpfad koppelbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Ladestrompfad eine Induktivität. Von Vorteil ist dabei, dass diese Induktivität mit der erfindungsgemäß wirksamen Kapazität einen Reihenschwingkreis bildet, so dass eine Vorladung auf ein höheres Spannungsniveau ausführbar ist als die Versorgungsspannung zur Verfügung stellt, da ein Überschwingen des Reihenschwingkreises genutzt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Ladestrompfad von derselben Spannungsquelle gespeist, aus der auch eine Treiberschaltung zur Erzeugung des Steuerstroms für den Steueranschluss des Halbleiterschalters gespeist wird, insbesondere wobei die Spannungsquelle galvanisch getrennt ist von einer Signalelektronik eines Umrichters. Von Vorteil ist dabei, dass keine zusätzliche Spannungsquelle notwendig ist sondern es ist beispielhaft die Versorgungsspannung eines Treibers oder Verstärkers als Spannungsquelle für den Ladestrompfad verwendbar, wobei der Treiber beziehungsweise Verstärker die Energie des Ansteuersignals generiert und selbst über eine galvanische Trennung versorgt ist. Die Steuerinformation wird dem Treiber oder Verstärker von einer vorgeordneten Steuerelektronik übermittelt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Ladestrompfad ein weiterer Steuer-Halbleiterschalter vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass der Strom im Ladestrompfad steuerbar ist. Insbesondere ist der weitere Steuer-Halbleiterschalter ansteuerbar vom Ansteuerpfad für den Halbleiterschalter des Hauptstrompfad, so dass ein zwangsweises Steuern des Ladestrompfades ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Halbleiterschalter in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine Brückenschaltung mit der erfindungsgemäßen Vorladung ausführbar ist, insbesondere also auch eine Endstufe eines Wechselrichters, eine Netzeinspeiseeinheit einer Solaranlage oder dergleichen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erreicht die mittels der Vorladung erreichte Spannung an der wirksamen Kapazität weniger als 30%, insbesondere weniger als 15%, der zu schaltenden Spannung. Von Vorteil ist dabei, dass schon eine derart geringe Vorladung die auftretenden Überspannungen reduziert. Dies wird erreichbar, indem als wirksame Kapazität eine spannungsabhängige verwendet wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Vorladen im Wesentlichen während der Totzeit ausgeführt, insbesondere also während desjenigen Zeitabschnitts, in welchem beide Halbleiterschalter einer Halbbrücke der Brückenschaltung ausgeschaltet sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Totzeit genutzt wird und bei Beendigung der Totzeit die wirksame Kapazität aufgeladen auf die vorgesehene Vorladespannung ist, wodurch die Überspannungen reduzierbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Induktivität des Ladestrompfads und somit der aus der Induktivität und der wirksamen Kapazität zusammengesetzte Reihenschwingkreis derart dimensioniert, dass die Periodendauer des Schwingkreises kürzer ist als die Totzeit. Somit wird innerhalb der Totzeit das Maximum des Aufschwingens der Spannung erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird im Ladestrompfad schon ein Ladestrom aufgebaut, während der auszuschaltende Halbleiterschalter sich noch im leitenden Zustand befindet. Bei Einsatz einer Induktivität im Ladestrompfad ist sogar eine noch höhere Spannung erreichbar, wenn der Ladestrom schon vor Totzeit-Beginn aufgebaut wird durch Einschalten des Steuer-Halbleiterschalters.
Wichtige Merkmale bei der Schaltungsanordnung sind, dass sie einen Halbleiterschalter umfasst,
wobei der Halbleiterschalter eine an den Hauptstromanschlüssen eines Halbleiterschalters wirksame Kapazität umfasst, insbesondere einer intrinsischen Kapazität, insbesondere eine Drain-Source-Kapazität eines MOSFET-Halbleiterschalters oder eine Kollektor-Emitter-Kapazität eines IGBT-Halbleiterschalters,
wobei zur Vorladung, insbesondere zur zumindest teilweisen Aufladung, der wirksamen Kapazität ein Ladestrompfad vorgesehen ist, insbesondere über den die Vorladung zwangsweise gesteuert wird.
Von Vorteil ist dabei, dass die zwangsweise erfolgende Aufladung ohne Software sondern nur mittels geeigneter Anordnung von Bauteilen erreichbar ist und somit die Überspannungen reduziert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die wirksame Kapazität derart ausgeführt, dass ihre Kapazität bei zunehmender Spannung abnimmt, insbesondere wobei auch ihre Kapazitätsänderung pro Spannungszunahme abnimmt, also ihre Kapazität bei zunehmender Spannung überproportional abnimmt. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden solche Halbleiterschalter verwendet, deren Drain-Source-Kapazität mit steigender Spannung stark abnimmt. Insbesondere werden die Halbleiterschalter in Brückenschaltungen eingesetzt. Dabei ist eine teilweise Aufladung, beispielsweise auf 10% der die Halbbrücke versorgenden Zwischenkreisspannung, ausreichend, um Überspannungen zu vermeiden. Somit ist für die in Serie geschaltete Diode ein Typ einsetzbar, der eine entsprechend niedrige zulässige Sperrspannung und infolgedessen gleichzeitig eine niedrige Flussspannung aufweist, um ihre Leitendverluste gering zu halten.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltungsanordnung die Endstufe eines Wechselrichters oder Umrichters. Von Vorteil ist dabei, dass die Endstufe als Halbbrückenschaltung ausführbar ist und somit der Wirkungsgrad des Umrichters beziehungsweise des Wechselrichters verbessert ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Hauptstrompfad eine Diode, insbesondere Zenerdiode oder Schottky-Diode, angeordnet, insbesondere ist also dem Halbleiterschalter eine Diode in Reihe zugeschaltet. Vorzugsweise ist die serielle Diode als Schottky-Diode ausgeführt und/oder Avalanche-fest, also Avalanche-rated.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden als Halbleiterschalter MOSFET-Halbleiterschalter verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass dann die serielle Diode eine weitere Funktion erfüllt. Die im MOSFET-Halbleiterschalter vorhandene Intrinsic-Diode wirkt nämlich vorteiligerweise nicht als Freilaufdiode. Stattdessen ist die nicht-intrinsische Freilaufdiode als Diode mit optimierten Eigenschaften vorsehbar.
Wichtige Merkmale bei der Brückenschaltung mit einer Schaltungsanordnung sind, dass
eine Halbbrücke aus zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen besteht, die jeweils einen ersten und eine zweiten in Reihe geschalteten Schaltungsteil aufweisen, wobei eine Querinduktivität zur Verbindung der elektrischen Verbindungspunkte der beiden Schaltungsteile einer jeweiligen Reihenschaltung vorgesehen ist,
wobei ein erster Schaltungsteil der ersten Reihenschaltung einen Halbleiterschalter samt seriell zugeschalteter Diode und der zweite Schaltungsteil der ersten Reihenschaltung eine Freilaufdiode aufweist,
wobei ein erster Schaltungsteil der zweiten Reihenschaltung eine Freilaufdiode und der zweite Schaltungsteil der zweiten Reihenschaltung einen Halbleiterschalter samt seriell zugeschalteter Diode aufweist,
wobei die ersten Schaltungsteile mit dem höheren Potential der Versorgungsspannung und die zweiten Schaltungsteile mit dem niedrigeren verbunden sind.
Von Vorteil ist dabei, dass Überspannungen in Brückenschaltungen vermieden werden, weil die zusätzliche Querinduktivität die für den oben erwähnten Reihenschwingkreis maßgebliche Induktivität vergrößert, so dass die Amplitude des Umschwingstromes verringert ist. Die in den Streuinduktivitäten gespeicherte Energie, die in die Drain-Source-Kapazität umgespeichert wird, ist damit ebenfalls reduziert, so dass die Spannungsüberhöhung geringer ist. Die in der Querinduktivität gespeicherte Energie trägt nicht zur Spannungsüberhöhung bei, da sie durch die Flussspannungen der Freilaufdioden und Halbleiterschalter in Verlustwärme umgesetzt wird. Diese Maßnahme allein, also ohne die erfindungsgemäße Vorladung der Drain-Source-Kapazität, würde zwar die auftretenden Überspannungen reduzieren, würde aber auch die Leitendverluste in den Halbleiterbauelementen erhöhen. Wird diese Maßnahme aber mit dem erfindungsgemäßen Vorladen der Drain-Source-Kapazität kombiniert, so werden Überspannungen vermieden und Leitendverluste reduziert.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

U_Z: Zwischenkreisspannung
C_Z: Zwischenkreiskondensator
HB₁: Halbbrücke 1
S₁/S₂: oberer/unterer Schalter der Halbbrücke 1
S₃/S₄: oberer/unterer Schalter der Halbbrücke 2
D_i1/D_i2: Intrinsic-Diode von S1/S2
C_i1/C_i2: Drain-Source-Kapazität von S1/S2
L_σS1/L_σS2: parasitäre Streuinduktivitäten des Aufbaus
R_L/L_L: Lastwiderstand/Lastinduktivität
D_S1/D_S2: obere/untere serielle Dioden
D_F1/D_F2: obere/untere Freilaufdiode
U_H+/U_H–: positive/negative Hilfsspannungsversorgung
V₂: Gatetreiber
R_b2: Basisvorwiderstand
T₂: Ladetransistor
D_L2: Ladediode
L_L2: Ladeinduktivität
^Rg2: Gatevorwiderstand
C_g2: Gatekapazität
L_q: Querinduktivität
1: Signalelektronik
2: Ansteuer- und Ladeschaltung
3: Ansteuer- und Ladeschaltung

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
1 zeigt eine H-Brückenschaltung, aufweisend zwei Halbbrückenzweige, mit aus ihr versorgbarer Last, bei der die Erfindung zum Einsatz kommt.
2 zeigt einen der erfindungsgemäßen Halbbrückenzweige, wobei auch eine Ansteuer- und Ladeschaltung gezeigt ist.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ansteuer- und Ladeschaltung für einen Halbleiterschalter eines Halbbrückenzweigs.
4 zeigt eine durch eine Querinduktivität weitergebildete erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
In 1 ist eine Brückenschaltung mit der ohmsch-induktiven Last R_L und L_L gezeigt, die aus einer H-Brückenschaltung mit vier MOSFET-Halbleiterschaltern (S₁, S₂, S₃, S₄) versorgbar ist. Dabei ist die Halbbrücke HB₁ mit parasitären Streuinduktivitäten L_σS1 und L_σS2 gezeigt, die durch den Leiterplatten-Aufbau und/oder Verbindungsleitungen bedingt sind. Außerdem sind die Drain-Source-Kapazitäten C_i1 und C_i2 der MOSFET-Halbleiterschalter dargestellt und auch die von den MOSFET-Halbleiterschaltern umfassten Intrinsic-Dioden D_i1 u D_i2.
Beispielhaft ist die von der Kapazität C_Z geglättete, unipolare Zwischenkreisspannung U_Z von einem Netzgleichrichter erzeugt. Alternativ ist diese Spannung auch mittels einer Batterie, eines Akkumulators oder einem anderen Gleichspannung erzeugenden Modul zur Verfügung stellbar. Aus der Zwischenkreisspannung wird die Halbbrückenschaltung versorgt, die im ersten Brückenzweig eine Reihenschaltung aufweist, in welcher ein oberer Halbleiterschalter S₁ und ein unterer Halbleiterschalter S₂ angeordnet sind, und im zweiten Brückenzweig eine Reihenschaltung aufweist, in welcher ein oberer Halbleiterschalter S₃ und ein unterer Halbleiterschalter S₄ angeordnet sind.
Im Folgenden werden die Vorgänge in der Halbbrücke HB₁ beschrieben, wobei für die zweite Halbbrücke, bestehend aus S₃ und S₄, Entsprechendes gilt.
Die Ansteuerung der Halbleiterschalter S₁ und S₂ erfolgt derart, dass entweder ein erster Zustand 1, bei dem der Halbleiterschalter S₁ geöffnet und der Halbleiterschalter S₂ geschlossen ist, oder ein zweiter Zustand 2 mit umgekehrten Schalterstellungen eingestellt wird.
Beim Übergang von einem Zustand in den anderen wird stets der zunächst geschlossene Halbleiterschalter geöffnet und erst nach einer sogenannten Totzeit der gegenüberliegende Halbleiterschalter geschlossen. Damit wird in sicherer Weise verhindert, dass beim Übergang beide Halbleiterschalter gleichzeitig eingeschaltet sind.
Im Gegensatz zu IGBT-Halbleiterschaltern ist bei MOSFET-Halbleiterschalter eine sogenannte Intrinsic-Diode (D_i1, D_i2) vorhanden, da der Sperrschichtaufbau der MOSFET diese bedingt. Diese intrinsischen Dioden haben allerdings sehr hohe Sperrverzugszeiten im Vergleich zu optimierten Schaltdioden und sind daher als Freilaufdiode wenig geeignet. In einer einfachen Tiefsetzstelleranordnung wäre dies weniger störend, da dort kein Stromfluss über die Intrinsic-Diode stattfindet. Im Gegensatz dazu wirken in der Halbbrücke HB1 nach 1 die Intrinsic-Dioden in bekannter Weise als Freilaufdioden.
Beim Betrieb können beim Zustandswechsel zwischen den Zuständen 1 und 2 zwei grundsätzlich unterschiedliche Kommutierungsvorgänge in der Halbbrücke auftreten, abhängig davon in welche Richtung der Laststrom I_A zu diesem Zeitpunkt fließt. Stellvertretend sei der Wechsel von Zustand 1 nach Zustand 2 betrachtet, einmal als Fall 1 bei negativem, also in die Halbbrücke hineinfließendem Lastrom und einmal als Fall 2 bei positivem, also in die Halbbrücke herausfließendem Laststrom:
Fall 1:
Bei negativem Laststrom I_A fließt im Zustand 1 der Strom über den geschlossenen Halbleiterschalter S₂ zum negativen Anschluss der Speisespannung U_Z. Wird nun der Übergang zum Zustand 2 dadurch eingeleitet, dass S₂ ausschaltet, so wird die Drain-Source-Kapazität C_l2 durch den Laststrom aufgeladen. Der Laststrom soll während des Kommutierungsvorgangs als konstant angenommen werden. Erreicht die Drain-Source-Spannung an C_l2 den Wert der Zwischenkreisspannung würde der Laststrom bei Nichtvorhandensein der parasitären Streuinduktivitäten L_σS1 und L_σS2 schlagartig und ohne transiente Überspannung auf die Freilaufdiode D_i1 kommutieren. Da aber der Laststrom durch L_σS2 nicht schlagartig auf Null abnehmen kann, wird die Drain-Source-Kapazität C_i2 weiter aufgeladen, bis die in den Streuinduktivitäten gespeicherte Energie auf Null abgenommen hat. Die daraus resultierende Überspannung an S₂ ist somit abhängig von der Größe des Laststroms, der betriebsbedingt aber auf definierte Grenzen beschränkt ist. Mittels kurzer Leiterlängen beim Schaltungsaufbau sind kleine Streuinduktivitäten erreichbar, so dass die Überspannungen in dieser Situation beherrschbar sind. Im Gegensatz dazu treten im folgenden Fall 2 vielfach höhere Ströme in den Streuinduktivitäten auf, so dass dort auch bei optimierten Verhältnissen bezüglich der Streuinduktivitäten des Schaltungsaufbaus erhebliche Überspannungen auftreten können.
Fall 2:
Für diesen Fall sei vereinfach angenommen, dass ein sehr kleiner Laststrom fließt, so dass dessen Einfluss auf den Umschwingvorgang bei den folgenden Betrachtungen außer Acht gelassen werden kann. Ein großer Laststrom bedingt keine prinzipielle Veränderung der Verhältnisse sondern kann als den im Folgenden beschriebenen Vorgängen als überlagert angesehen werden.
Bei positivem Laststrom fließt im Zustand 1 der Strom über die Freilaufdiode Die vom negativen Anschluss der Speisespannung zur Last. Wird nun der Übergang zum Zustand 2 dadurch eingeleitet, dass S₂ ausschaltet, fließt der Laststrom zunächst weiter durch Die. Erst wenn nach Ablauf der Totzeit der Halbleiterschalter S₁ eingeschaltet wird beginnt der eigentliche Kommutierungsvorgang. Die Drain-Source-Kapazität C_l2 bildet zusammen mit L_σS1 und L_σS2 einen Schwingkreis der über S₁ an die Zwischenkreisspannung gelegt wird. Unter der Annahme einer konstanten Drain-Source-Kapazität C_l2 ergäbe sich der bekannte sinusförmige Strom- und Spannungsverlauf, wobei die Spannung an der Kapazität auf den doppelten Wert der Gleichspannung der Speisespannung aufschwingt. Tatsächlich beeinflussen aber im Wesentlichen zwei weitere Faktoren die Höhe des Überschwingens, also der transienten Überspannung.

• Erstens ist die Schaltgeschwindigkeit des einschaltenden Halbleiterschalters nur endlich schnell, beispielsweise zwischen 10 ns und 200 ns oder mehr je nach Typ des Halbleiterschalters. Somit wird der Halbleiterschalter für eine nennenswerte Zeit in seinem linearen Bereich betrieben wird, was einer Bedämpfung des Schwingkreises durch einen ohmschen Widerstand gleichbedeutend ist. Je kleiner die Periodendauer der Resonanzfrequenz des Schwingkreises im Vergleich zur Schaltzeit des Halbleiterschalters ausfällt, desto besser ist der Schwingkreis bedampft und damit die Überspannung reduziert. Aus diesem Grund wird beim Aufbau der Schaltung auf eine möglichst kurze und induktivitätsarme Leiterbahnführung geachtet. Außerdem ergibt sich dadurch auch die Möglichkeit, durch eine bewusste Verlangsamung der Schaltgeschwindigkeit, beispielsweise durch Vergrößern des Gatevorwiderstandes in der Treiberschaltung der Gateansteuerung, die transiente Überspannung weiter zu reduzieren. Diese Maßnahme führt allerdings dazu, dass dann die Schaltverluste ansteigen.
• Zweitens ist die Drain-Source-Kapazität der Halbleiterschalter nicht konstant sondern spannungsabhängig. Bei niedriger Drain-Source-Spannung ist die Kapazität deutlich größer als bei hoher Spannung. Vorzugsweise wird ein Halbleiterschalter verwendet, wie er in der WO 00/16407 beschrieben ist. Somit weist dann der Halbleiterschalter eine besonders starke Spannungsabhängigkeit der Drain-Source-Kapazität auf. Dies wirkt sich zwar positiv auf die Ausschaltverluste aus, wie sie bei dem unter Fall 1 beschriebenen Vorgang auftreten. Im vorliegenden Fall 2 aber bewirkt diese Tatsache, ein vielfach stärkeres Überschwingen des Schwingkreises als bei konstanter Kapazität. Aufgrund der großen Kapazität bei niedriger Spannung steigt die Spannung zunächst verlangsamt an, infolgedessen kann sich ein sehr hoher Strom in der Streuinduktivität aufbauen. Die in der Induktivität gespeicherte Energie muss in der Folge aber in eine abnehmende Kapazität umgespeichert werden, was eine entsprechend vergrößerte Überspannung an der Drain-Source-Kapazität bewirkt.

Mittels der Erfindung werden die Überspannungen für den Vorgang im Fall 2 reduziert. Gleichzeitig werden durch die Erfindung hierbei die Schaltverluste reduziert.
Die erfindungsgemäße Ansteuer- und Ladeschaltung gemäß 2 oder 3 ermöglicht es, vor dem Einschalten eines gegenüberliegenden Schalters die Drain-Source-Kapazität des ausgeschalteten Schalters zwangsweise aufzuladen.
Wie in 2 gezeigt, wird dazu die Ansteuerschaltung 2 und 3 dahingehend erweitert, dass diese eine Ladeschaltung zur Vorladung der Drain-Source-Kapazität des Halbleiterschalters beinhaltet.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird dieser Schaltungsteil von einer niedrigen Hilfsspannung, die kleiner ist als 50 V, beispielsweise 24 Volt, gespeist. Idealerweise ist diese Hilfsspannung dieselbe, aus welcher die Ansteuerschaltung der Gateansteuerung versorgt wird.
In 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Schaltungsteile, also Ladeschaltung zur Vorladung und Gate-Ansteuerschaltung, durch getrennte Signale von einer Signalelektronik 1, die Ansteuersignale generiert, angesteuert werden.
Erfindungsgemäß wird zweitens eine Diode D_S1 bzw. D_S2 in Serie zum Halbleiterschalter angeordnet. Die Diode D_S1 bzw. D_S2 verhindert dass der Ladestrom I_L1 bzw. I_L2 über die Freilaufdioden D_F1 bzw. D_F2 abfließen kann, und zwar auch dann nicht, wenn zum Zeitpunkt des Ladevorgangs die parallel liegenden Freilaufdioden den Laststrom führen und damit leitend sind.
Sind MOSFETS als Halbleiterschalter vorgesehen, so sind damit gleichzeitig deren Intrinsic-Dioden als Freilaufdioden unwirksam, da statt der intrinsischen Dioden erfindungsgemäß separate Freilaufdioden D_F1 und D_F2 mit optimiertem Schaltverhalten vorgesehen werden. Bei Verwendung von MOSFET-Halbleiterschaltern erfüllen die Dioden D_S1 bzw. D_S2 einen doppelten Zweck, da sie sowohl die Möglichkeit schaffen, eine zwangsweise Ladung der Drain-Source-Kapazität als auch die Verwendung von optimierten Freilaufdioden zu ermöglichen. Die Sperrfähigkeit der Dioden D_S1 bzw. D_S2 ist entsprechend der vorgesehenen Aufladung zu wählen.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiterschalter verwendet, dessen Drain-Source-Kapazität mit steigender Spannung stark abnimmt. Von Vorteil ist dabei, dass eine Aufladung auf eine relativ geringe Spannung ausreicht um Überspannungen zu vermeiden, und daher serielle Dioden D_S1 bzw. D_S2 mit geringer Sperrfähigkeit und damit ebenfalls geringer Flussspannung verwendbar sind.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die Steuerung der Ladeschaltung aus dem Signal der Gateansteuerung abgeleitet. Vorteilhaft ist dabei, dass nur ein einziges Signal potentialtrennend geführt werden muss. Eine beispielhafte Kombination von Ansteuer- und Ladeschaltung für den Schalter S₂ ist in 3 vereinfacht dargestellt. Der angedeutete Gatetreiber V₂ wird durch eine bezüglich Source-Potential bipolare Hilfsspeisespannung U_H+ und U_H– versorgt. Der Gatetreiber beinhaltet zweckmäßigerweise eine Potentialtrennung zur Signalelektronik 1 aus 2, welche die Ansteuersignale generiert.
Über den Gatevorwiderstand R_g2 wird das Gate des Halbleiterschalters S₂ angesteuert. C_g2 bezeichnet dabei die interne Gate-Kapazität des Schalters S₂. Dieser dem Stand der Technik entsprechende Schaltungsteil wird nun durch einen erfindungsgemäßen Schaltungsteil bestehend aus Basiswiderstand R_b2, Ladetransistor T₂, Ladediode D_L2, Ladeinduktivität L_L2 in Verbindung mit der seriellen Diode D_S2 erweitert. Wechselt die Ausgangsspannung des Gatetreibers V₂ von U_H+ nach U_H– gleichbedeutend S₂ wird ausgeschaltet, so wird gleichzeitig der Ladetransistor T₂ eingeschaltet, da nun ein Basisstrom über R_b2 fließen kann. Über T₂ und D_L2 liegt nun die Hilfsspannung U_H+ an der Serienschaltung aus L_D2 und C_i2. Nun findet ein Ladevorgang statt, der nach der gleichen Gesetzmäßigkeit abläuft, wie der eingangs beschriebene Umschwingvorgang, aus dem die transiente Überspannung im Fall 2 resultiert. Vorteiligerweise ist auch beim Einsatz dieser Art von Ladeschaltung ein Halbleiterschalter S₂ mit einer stark spannungsabhängigen Drain-Source-Kapazität verwendbar. Eine relativ geringe Hilfsspannungsversorgung in Verbindung mit einer geschalteten Lade-Induktivität reicht dann aus, um die Drain-Source-Kapazität auf weit über das Doppelte der Hilfsspannungsversorgung U_H+ und damit ausreichend vorzuladen. Die Lade-Diode D_L2 verhindert ein Rückschwingen des Ladestroms. Der Wert der Induktivität von L_L2 wird so bemessen, dass innerhalb der Totzeit, also vor dem Einschalten des gegenüberliegenden Halbleiterschalters S₁ eine ausreichend hohe Vorladung erzielt wird. Je kleiner die Lade-Induktivität gewählt wird, desto größer wird der Ladestrom und umso schneller ist der Ladevorgang abgeschlossen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist in 4 abgebildet. Dabei wird ein Brückenzweig in zwei Schaltungsteile getrennt und durch eine Querinduktivität L_q verbunden. Der erste Schaltungsteil enthält den oberen Schalter S₁ samt serieller Diode D_S1 und die untere Freilaufdiode D_F2. Der zweite Schaltungsteil enthält den unteren Schalter S₂ samt serieller Diode D_S2 und die obere Freilaufdiode D_F1. Die zusätzliche Querinduktivität vergrößert die für den oben erwähnten Reihenschwingkreis maßgebliche Induktivität, so dass die Amplitude des Umschwingstromes verringert ist. Die in den Streuinduktivitäten gespeicherte Energie, die in die Drain-Source-Kapazität umgespeichert wird, ist damit ebenfalls reduziert, so dass die Spannungsüberhöhung geringer ist. Die in der Querinduktivität gespeicherte Energie trägt nicht zur Spannungsüberhöhung bei. Erreicht die Spannung am Halbleiterschalter die Zwischenkreisspannung, kommutiert der dem Ausgangsstrom überlagerte Umschwingstrom in L_q in einen der Freilaufkreise D_S1-S₁-L_σS1-D_F1 bzw. D_S2-S₂-L_σS2-D_F2 und wird dort durch die Flussspannungen der Freilaufdioden und Halbleiterschalter in Verlustwärme umgesetzt. Diese Maßnahme für sich allein vermindert die auftretenden Überspannungen, erhöht aber die Leitendverluste in den Halbleiterbauelementen. Wird diese Maßnahme aber mit dem oben beschriebenen Vorlade-Verfahren kombiniert, so werden Überspannungen vermieden und Leitendverluste reduziert, da der Umschwingstrom in L_q durch das oben beschriebene Vorladen vermindert ist. Als Querinduktivität ist schon eine äußerst geringe Induktivität ausreichend, beispielsweise 500 nH. Dies entspricht einem Wert, der ein Vielfaches der üblichen parasitären Induktivitäten der Leitungsführung beträgt, was für die beschriebene Wirkungsweise ausreichend ist. Die Bauteilgröße ist somit äußerst gering.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist zu beachten, dass je höher die Spannung ist, auf die die Drain-Source-Kapazität vorgeladen wird, desto geringer fällt die folgende transiente Überspannung aus. Dabei ist zu beachten, dass schon eine Vorladung auf eine relative geringe Spannung die anschließende transiente Überspannung sehr stark reduziert. Bei dem MOSFET-Halbleiterschalter aus 3 kann beispielsweise eine Vorladung auf 50 V bis 100 V als ausreichend angesehen werden, wobei die die Halbbrücke versorgende Zwischenkreisspannung bei 400 V bis 600 V liegt. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Drain-Source-Kapazität ab 100 V einen niedrigen Wert hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6356462 [0006]
- WO 00/16407 [0007, 0053]
- US 4841166 [0008]

Claims

Verfahren zum Aufladen einer an den Hauptstromanschlüssen eines Halbleiterschalters wirksamen Kapazität, insbesondere einer intrinsischen Kapazität, insbesondere der Drain-Source-Kapazität eines MOSFET-Halbleiterschalters oder der Kollektor-Emitter-Kapazität eines IGBT-Halbleiterschalters, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladung, insbesondere die zumindest teilweise Aufladung, der wirksamen Kapazität zwangsweise über einen Ladestrompfad gesteuert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladung, insbesondere die zumindest teilweise Aufladung, der wirksamen Kapazität vom Ansteuersignal des Halbleiterschalters zwangsweise über den Ladestrompfad gesteuert wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zum Laden nicht dem Hauptstrompfad entnommen wird, insbesondere der Ladestrompfad vom Hauptstrompfad, insbesondere Kanalstrompfad, verschieden ist, insbesondere der den zu schaltenden Leistungsstrom führt.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptstrompfad eine Diode, insbesondere Zenerdiode oder Schottky-Diode, angeordnet ist, insbesondere also dem Halbleiterschalter eine Diode in Reihe zugeschaltet ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrompfad eine Induktivität umfasst, und/oder dass im Ladestrompfad ein Steuer-Halbleiterschalter vorgesehen ist
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrompfad von derselben Spannungsquelle gespeist wird, aus der auch eine Treiberschaltung zur Erzeugung des Steuerstroms für den Steueranschluss des Halbleiterschalters gespeist wird, insbesondere wobei die Spannungsquelle galvanisch getrennt ist von einer Signalelektronik eines Umrichters.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung angeordnet ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorladen im Wesentlichen während der Totzeit ausgeführt wird, insbesondere also während eines derjenigen Zeitabschnitts, in welchem beide Halbleiterschalter einer Halbbrücke der Brückenschaltung ausgeschaltet sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ladestrompfad schon ein Ladestrom aufgebaut wird, während sich der auszuschaltende Halbleiterschalter sich noch im leitenden Zustand befindet.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität derart bemessen ist, dass der aus der Induktivität und der wirksamen Kapazität zusammengesetzte Reihenschwingkreis bis auf die als Vorladung gewünschte Spannung aufschwingt, insbesondere innerhalb der Totzeit das Maximum des Aufschwingens der Spannung erreicht.
Schaltungsanordnung, umfassend einen Halbleiterschalter, wobei am Halbleiterschalter eine an seinen Hauptstromanschlüssen wirksame Kapazität angeordnet ist, insbesondere eine intrinsische Kapazität, insbesondere eine Drain-Source-Kapazität eines MOSFET-Halbleiterschalters oder eine Kollektor-Emitter-Kapazität eines IGBT-Halbleiterschalters, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorladung, insbesondere zur zumindest teilweisen Aufladung, der wirksamen Kapazität ein Ladestrompfad vorgesehen ist, insbesondere über den die Vorladung zwangsweise gesteuert wird.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Kapazität derart ausgeführt ist, dass ihre Kapazität bei zunehmender Spannung abnimmt, insbesondere wobei auch ihre Kapazitätsänderung pro Spannungszunahme abnimmt, also ihre Kapazität bei zunehmender Spannung überproportional mit der Spannung abnimmt.
Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptstrompfad des Halbleiterschalters eine Diode seriell angeordnet ist und eine Freilaufdiode dieser Reihenschaltung parallel geschaltet ist, insbesondere wobei die Dioden antiparallel zueinander orientiert sind, und/oder dass die Schaltungsanordnung die Endstufe eines Wechselrichters oder Umrichters ist, und/oder dass die mittels der Vorladung erreichte Spannung der wirksamen Kapazität weniger als 30%, insbesondere weniger als 15%, der zu schaltenden Spannung erreicht.
Brückenschaltung mit einer Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbbrücke aus zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen besteht, die jeweils einen ersten und eine zweiten in Reihe geschalteten Schaltungsteil aufweisen, wobei eine Querinduktivität zur Verbindung der elektrischen Verbindungspunkte der beiden Schaltungsteile einer jeweiligen Reihenschaltung vorgesehen ist, wobei ein erster Schaltungsteil der ersten Reihenschaltung einen Halbleiterschalter samt seriell zugeschalteter Diode und der zweite Schaltungsteil der ersten Reihenschaltung eine Freilaufdiode aufweist, wobei ein erster Schaltungsteil der zweiten Reihenschaltung eine Freilaufdiode und der zweite Schaltungsteil der zweiten Reihenschaltung einen Halbleiterschalter samt seriell zugeschalteter Diode aufweist, wobei die ersten Schaltungsteile mit dem höheren Potential der Versorgungsspannung und die zweiten Schaltungsteile mit dem niedrigeren verbunden sind.
Brückenschaltung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Querinduktivität einen Mittelabgriff aufweist, welcher den Ausgangszweig der Halbbrücke darstellt.